微波測(cè)試設(shè)備培訓(xùn)課件

1、第一章 微波測(cè)試設(shè)備微波測(cè)試設(shè)備第一節(jié):信號(hào)源第二節(jié):信號(hào)檢測(cè)和顯示設(shè)備 第三節(jié):輔助元件 第四節(jié):系統(tǒng)(簡(jiǎn)單說(shuō)明)第一節(jié):信號(hào)源最基本的波形:正弦波周期性矩形脈沖周期性矩形脈沖88一些調(diào)制波形1.1.1振蕩信號(hào)源1.1.2掃頻信號(hào)源1.1.3綜合信號(hào)發(fā)生器(或合成信號(hào)源)1.1.1振蕩信號(hào)源微波振蕩信號(hào)源主要性能指標(biāo)1.頻率范圍2.頻率準(zhǔn)確度和分辨力3.頻率穩(wěn)定度4.頻譜純度5.射頻輸出功率6.射頻輸出功率準(zhǔn)確度7.最大輸出功率8.調(diào)制特性l頻率準(zhǔn)確度圖示l功率輸出及精確度圖示l頻譜純度圖示實(shí)際應(yīng)用中一些性能指標(biāo)引起的一些問(wèn)題1.1.2掃頻信號(hào)源常見(jiàn)的微波掃頻信號(hào)源(或振蕩器):1.變?nèi)荻O

2、管電調(diào)振蕩器 varactor tuned oscillators (VTO)2.YIG電調(diào)諧振蕩器 YIG tuned oscillators (YTO)3. 反射速調(diào)管振蕩器4. 返波管電調(diào)諧振蕩器 掃頻線性度:實(shí)際掃頻軌跡與理想軌跡的偏差輸出功率平坦度1.1.3綜合信號(hào)發(fā)生器 (或合成信號(hào)源)頻率合成的方法主要有三種:a) 直接頻率合成b) 間接頻率合成c) 直接數(shù)字頻率合成a) 直接頻率合成 由一個(gè)高穩(wěn)定度的參考源,通過(guò)分頻、混頻、倍頻和濾波等方法產(chǎn)生所需的各種輸出頻率. 直接頻率合成原理說(shuō)明圖b) 間接頻率合成應(yīng)用鎖相環(huán)的頻率合成方法稱為間接頻率合成鎖相頻率合成的基本框圖 c) 直接

3、數(shù)字頻率合成(DDS) 是直接對(duì)參考正弦時(shí)鐘進(jìn)行抽樣,數(shù)字化,然后用數(shù)字計(jì)算技術(shù)和數(shù)模變換器來(lái)產(chǎn)生信號(hào),實(shí)現(xiàn)頻率合成. 在實(shí)際應(yīng)用中,可以采用上述幾種方法相結(jié)合的方式,來(lái)彌補(bǔ)單獨(dú)應(yīng)用某種方式所具有的局限性.例如,可以采用PLL和DDS相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)高分辨率,低雜散輸出的信號(hào).同樣,也可以利用PLL和DS相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)具有高輸出頻率,低雜散輸出的信號(hào). 下面簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)頻率合成器的設(shè)計(jì)方案鎖相倍頻結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源 鎖相混頻結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源 多環(huán)鎖相結(jié)構(gòu)毫米波頻率合成源方框圖 性能指標(biāo)1.頻率間隔:最小頻率間隔,也稱分辨力2.頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間:從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率,并達(dá)到鎖定狀態(tài)

4、,這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間3.長(zhǎng)期和短期頻率穩(wěn)定度 長(zhǎng)期穩(wěn)定度通常以年月日來(lái)計(jì)算典型值為:f/f=(10-710-10)/每日 短期頻率穩(wěn)定度是指秒級(jí)頻率穩(wěn)定度,通常用相位噪聲表示.相位噪聲的基本概念相位噪聲的基本概念 相位噪聲是指信號(hào)源中，由各種隨機(jī)噪聲所引起的輸出信號(hào)瞬時(shí)頻率或相位的起伏，它表征的是信號(hào)源輸出頻率的短期穩(wěn)定性指標(biāo)，是高穩(wěn)定度、高純度頻率源的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。由于相位噪聲的存在，引起載波頻譜的擴(kuò)展，其范圍可以從偏離載波小于1Hz一直延伸到幾兆赫茲。 理想情況下，信號(hào)源輸出的信號(hào)是純的正弦波信號(hào)，可用式表示如下：00()sin(2)vtVft這樣的信號(hào)在頻域中表現(xiàn)為一根信號(hào)譜線

5、純正弦信號(hào)的譜線 但是，在實(shí)際應(yīng)用中，所有信號(hào)源的輸出都存在著不穩(wěn)定性，即存在著幅度、頻率或相位的起伏，這樣的不純信號(hào)可表示為 通常情況下，信號(hào)源的輸出中都有A(t) ，它不直接造成頻率起伏或相位起伏，在這里可以忽略不計(jì)。這些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪聲。由于頻率是相位對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，因此研究瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度問(wèn)題歸結(jié)為研究瞬時(shí)相位起伏的問(wèn)題。在頻域用頻譜分析儀觀察，相位噪聲表現(xiàn)為噪聲邊帶連續(xù)地分布在載波頻率的上下兩邊，如圖所示。頻域表示的相位噪聲可以簡(jiǎn)單地看作是無(wú)限數(shù)目的相位調(diào)制邊帶，每一個(gè)相位調(diào)制邊帶又是由一個(gè)低頻信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制而產(chǎn)生。 00( )1( ) sin 2( )v tV

6、A tf tt不純正弦信號(hào)的噪聲邊帶頻譜 37相位噪聲的來(lái)源相位噪聲的來(lái)源 l通常情況下，信號(hào)源的相位起伏同時(shí)具有隨機(jī)的或離散的特性，用頻譜分析儀觀察的結(jié)果如圖所示。其中，信號(hào)邊帶中的離散分布的信號(hào)稱作雜散分量，另外一種為連續(xù)分布的隨機(jī)信號(hào)，稱作相位噪聲。l信號(hào)源中的雜散分量一般是由電源紋波、機(jī)械振動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部鑒相信號(hào)的泄漏或其它電路的信號(hào)竄擾，通過(guò)振蕩器的供電端或調(diào)諧端對(duì)振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻產(chǎn)生的，這種雜散的分布一般情況下具有一定的規(guī)律性。另外一種呈隨機(jī)分布的相位噪聲通常是由振蕩器本身內(nèi)各器件所產(chǎn)生的各種隨機(jī)噪聲(如電阻產(chǎn)生的熱噪聲、半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的散彈噪聲和閃爍噪聲等)引起的。其它電

7、路所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，也可以通過(guò)振蕩器的供電端或調(diào)諧端對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻產(chǎn)生相位噪聲。 38頻譜分析儀上顯示的信號(hào)源相位噪聲 單邊帶相位噪聲的定義單邊帶相位噪聲的定義 信號(hào)源中，由于相位噪聲的存在，在頻域中，輸出信號(hào)的譜線是以調(diào)制邊帶的形式連續(xù)地分布在載波的兩邊，是雙邊帶的，并以載波頻率f0為中心對(duì)稱。通常分析問(wèn)題時(shí)，只取其中一個(gè)邊帶就可以了，把這一個(gè)邊帶稱為單邊帶(SSB)相位噪聲，用L(fm)表示，如圖所示 (a)相位噪聲邊帶 (b)單邊帶相位噪聲L(fm) 單邊帶相位噪聲的定義為偏離載波頻率fm赫茲處，在1Hz帶寬內(nèi)，一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率PSSB與總功率PS之比,即()SSBmSPfP功

8、率密度（一個(gè)相位調(diào)制邊帶，1Hz）總的載波功率LL(fm)通常用對(duì)數(shù)來(lái)表示，單位為dBc/Hzfm。 第二節(jié):信號(hào)檢測(cè)和指示(顯示)設(shè)備1.2.1.檢波器1.2.2.功率檢測(cè)1.2.3.功率計(jì)1.2.4.頻譜分析儀1.2.5.噪聲系數(shù)分析儀1.2.1.檢波器微波檢波器的基本結(jié)構(gòu)l主要性能指標(biāo) 頻率范圍,頻率響應(yīng),靈敏度,端口阻抗,最大輸入功率,極性,VSWR,接頭形式 檢波器主要作用微波檢波器應(yīng)用舉例:1.2.2.功率檢測(cè)a) 熱電偶b) 電阻測(cè)輻射熱儀a) 熱電偶 用于準(zhǔn)確測(cè)量溫度的熱電子元件, 由兩種連在一起的不同金屬組成,這樣連接點(diǎn)間產(chǎn)生的電壓變化就是兩點(diǎn)間溫度差異的量度.b) 電阻測(cè)輻

9、射熱儀 利用某些溫度敏感元件的電阻隨所加的功率大小而變化的效應(yīng),對(duì)功率大小進(jìn)行檢測(cè). 正溫度系數(shù) 負(fù)溫度系數(shù) 1.2.3.功率計(jì)l功率探頭l功率測(cè)量?jī)x一些傳感器具有代表性的檢測(cè)功率范圍：一些傳感器具有代表性的檢測(cè)功率范圍：-70dBm -20dBm-30dBm +20dBm-17dBm +35dBm-10dBm +35dBm 微波功率計(jì)根據(jù)所測(cè)信號(hào)的不同分為連續(xù)波功率計(jì)和脈沖功率計(jì). 根據(jù)讀數(shù)顯示形式可以分為模擬式和數(shù)字式.1.2.4.頻譜分析儀掃頻超外差式頻譜儀的原理方框圖2.2.5.噪聲系數(shù)測(cè)試儀a)噪聲源b)噪聲系數(shù)計(jì) 噪聲源有很多不同的種類,通常應(yīng)用的噪聲源分為三種類型: 熱/冷噪聲源

10、 固態(tài)噪聲源 氣體放電噪聲源第三節(jié):輔助元件1.3.1:衰減器1.3.2:定向耦合器1.3.3:槽線1.3.4:調(diào)制器1.3.5:校準(zhǔn)件1.3.1:衰減器a) 固定衰減器b) 可變衰減器 連續(xù)可變 步進(jìn)a) 固定衰減器(給定衰減量,計(jì)算電阻值)性能指標(biāo)l頻率范圍l衰減量l衰減精確度lVSWRl最大輸入功率l接頭形式連續(xù)可調(diào)衰減器l性能指標(biāo):衰減范圍,損耗步進(jìn)衰減器 在一定范圍內(nèi)按固定值遞增,主要采用開(kāi)關(guān)和固定衰減器相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì) 性能指標(biāo):步進(jìn)及衰減范圍,還有損耗1.3.2:定向耦合器 定向耦合器有很多不同的結(jié)構(gòu),其中最常見(jiàn)的是支線耦合器,蘭格耦合器和平行耦合線耦合器基本的定向耦合器和雙

11、向定向耦合器的示意圖性能指標(biāo)l頻率范圍l耦合度l耦合度偏差l插入損耗l方向性l端口阻抗lVSWRl最大承受功率l接頭形式定向耦合器的應(yīng)用1.3.3:槽線(測(cè)量線):主要用來(lái)測(cè)量VSWR,和波長(zhǎng)等參數(shù).按傳輸線的結(jié)構(gòu)來(lái)分,主要有波導(dǎo)式同軸式主要包含三部分:開(kāi)槽線,耦合指示器傳動(dòng)矩形波導(dǎo)測(cè)量線矩形波導(dǎo)測(cè)量線l波導(dǎo)開(kāi)槽線:它是在矩形波導(dǎo)寬邊的中央開(kāi)一條嚴(yán)格平行于縱向軸線的長(zhǎng)條槽縫構(gòu)成的,是與待測(cè)元件連接的一段波導(dǎo)傳輸線.l耦合指示機(jī)構(gòu)l 它由探針,調(diào)諧腔體,晶體檢波器和指示設(shè)備構(gòu)成.探針通過(guò)波導(dǎo)的槽縫伸進(jìn)波導(dǎo)內(nèi),與所在位置的電場(chǎng)發(fā)生耦合,在探針上產(chǎn)生與該處電場(chǎng)強(qiáng)度成比例的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),并經(jīng)過(guò)探針的調(diào)諧腔體送至晶體檢波器,從而轉(zhuǎn)換成直流電流,用微安計(jì)等來(lái)指示.矩形波導(dǎo)測(cè)量線示意圖矩形波導(dǎo)測(cè)量線示意圖1.3.4:調(diào)制器許多微波測(cè)試應(yīng)用中經(jīng)常需要調(diào)制信號(hào),特別是通信方面,比如幅度調(diào)制,脈沖調(diào)制等1.3.5:校準(zhǔn)件 為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù),